蒸汽动力船舶疏水阀性能试验及选型

于昊，刘东民，蔡林，刘元春

1 中国舰船研究院，北京100192

2 中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

0 引 言

用来疏泄和收集整个动力系统各类汽水管道疏水的管路及设备，组成了蒸汽动力船舶动力系统中的疏水系统。疏水系统不仅影响着整个热力系统的经济性，也关系到设备的安全和可靠运行。如果蒸汽管路中聚集的凝水不能及时排掉，就会引起管道水击或振动，轻者损坏支、吊架，重者还会造成管道破裂和设备损坏等安全事故［1］。凝水若进入汽轮机，还会造成叶片损坏、机组振动及汽缸变形等恶性事故，严重影响船舶运行的可靠性［2］。疏水阀是疏水系统中的重要设备，起自动阻汽疏水的作用。依照动作原理，目前工业中常用的疏水阀有机械型、热静力型以及热动力型3种。许多学者已从凝水回收原则［3］、凝水疏送要求、工业疏水阀一般适用范围［4-5］及疏水阀关键部件特性等［6-8］方面进行了相关研究，并且能够指导工业疏水阀选型设计。相比于工业领域，蒸汽动力船舶的疏水系统具有管路空间有限、工作时常处于摇摆状态、工作压力及背压范围存在波动等特点，这就使得应用于蒸汽船舶的疏水阀与工业用疏水阀存在着差别。本文将针对几种典型疏水阀进行性能试验，并结合实船疏水系统的设计需求，总结各类疏水阀在实船疏水系统中的适用范围，以指导实船疏水系统设计及疏水阀选型。

1 试验台架及试验用疏水阀

参照《蒸汽疏水阀 试验方法》（GB/T12251）［9］，设计了疏水阀试验台。试验台结构示意图如图1所示，主要由储水罐、蒸汽发生器、过热器、疏水阀、观察窗、背压装置、真空破坏器、称重设备及相关阀门仪表组成。用疏水阀进行疏水阻汽试验、疏水量测量试验、过冷度试验、背压对疏水阀的影响试验、疏水阀的横倾和纵倾性能试验。试验用疏水阀包括杠杆浮球式、自由浮球式、倒吊桶式、双金属及圆盘式5 种。排放孔径大小是疏水阀结构中的重要参数，在不同的工作压力范围下，匹配合理的排放孔径可以达到较高的疏水量，本试验用疏水阀的排放孔径和压力适用范围如表1所示。

图1 疏水阀试验台结构示意图Fig.1 The sketch of steam trap test-beds structure

表1 试验用疏水阀类型汇总Tab.1 Summary steam types of types for test

依照实船系统需求，疏水系统中的疏水压力为0.1～5.0 MPa，因不同的疏水阀其工作压力范围不同，故不可能针对每个疏水阀都进行以上工作压力全范围的测试。另一方面，当疏水阀的某些因素不满足系统要求时，也没必要进行相应的试验，因此，可结合疏水阀和系统压力范围综合考虑进行各个工况的疏水阀选取。背压对疏水阀的影响实质是疏水阀前、后压差变化对输水量的影响，因此，背压的影响可以在低压情况下进行，而后再利用背压率（背压与疏水压力的比值）来衡量背压对疏水性能的影响。完成常压（0.1 MPa）疏水功能试验后，将蒸汽和饱和水压力升至0.7 MPa（该值为系统背压罐能达到的最大背压），进行自由浮球式、杠杆浮球式、倒吊桶式、双金属式及圆盘式这5 种疏水阀下的功能试验及背压试验，然后选取倒吊桶式和圆盘式疏水阀进行中、高压部分试验。对于倒吊桶式疏水阀，进行2.5 和4.0 MPa 的试验；对于圆盘式疏水阀，进行最高压力5.0 MPa 的试验。

2 试验结果及分析

2.1 低压试验

将水罐升压至0.7 MPa，进行双金属式、杠杆浮球式、自由浮球式、倒吊桶式和圆盘式疏水阀试验。对于双金属式热静力型疏水阀，需要依照现场背压情况进行调节，根据调节位置的不同，分内调节和外调节2 种，图2（a）所示为试验用内调节双金属式疏水阀的内部结构。因其动作原理与机械式不同，故当停止输送蒸汽并开启饱和水阀门后，疏水阀不会马上动作，而是需要阀门本体及前端管路冷却一段时间后才会开始动作。开始动作时，凝水的温度与相同压力下的饱和温度之差即为该疏水阀的过冷度，在本试验中，测得双金属式疏水阀的过冷度为22 ℃，如图2（b）所示。

图2 双金属疏水阀试验图Fig.2 Photos of double-metal-style steam trap experiment

自由浮球式和杠杆浮球式属于机械类疏水阀，其使用特点是抗背压性能好，几乎没有过冷度要求。在本试验中，自由浮球式和杠杆浮球式疏水阀在0.7 MPa 时其疏水阻汽功能良好，如图3 所示，疏水量可达1.16 t/h。由于浮球式疏水阀受外部惯性力的影响较大，因此针对浮球式疏水阀进行了横倾和纵倾试验。结果表明，杠杆浮球式疏水阀具备较好的抗倾斜能力，在横倾45°、纵倾30°工况下可以正常疏水，其疏水量高于自由浮球式疏水阀。图4 所示为自由浮球式疏水阀的内部结构。

图3 自由浮球式疏水阀阻汽疏水试验图Fig.3 Photos of free float trap experiment

图4 自由浮球式疏水阀内部结构Fig.4 Photos of free float trap inner structure

随后，将饱和水压力调至0.7 MPa，进行背压影响试验。结果表明，在背压率为90%的情况下，仍能正常疏水，输水量约1 t/h。由于浮球式疏水阀受外部惯性力的影响较大，因此针对浮球式疏水阀进行了横倾、纵倾试验。结果表明，自由浮球式疏水阀在摇摆状态时其疏水量出现了波动，而杠杆浮球式疏水阀则具备较好的抗倾斜能力，在横倾45°、纵倾30°工况下仍能正常连续疏水，如图5 所示。由试验结果可知，在倾斜状态下，自由浮球式疏水阀的疏水量较杠杆式的低20%。

图5 杠杆浮球式疏水阀在倾斜状态下的疏水试验Fig.5 Photos of the lever ball float trap experiment under sloping condition

圆盘式疏水阀由于其工作压力范围较大，在低压工况下选取为1.0 MPa，背压选取为0.6 MPa。试验结果表明，在背压为0.6 MPa 时，该疏水阀的疏水阻汽性能良好，疏水量约为0.4 t/h。

各类疏水阀的试验结果如表2 所示。

表2 疏水阀试验结果汇总Tab.2 Experiment results of each steam trap

2.2 高压试验

高压试验按照4.0 和5.0 MPa 这2 个压力等级进行，试验疏水阀为圆盘式和倒吊桶式。对于热静力型疏水阀，前面已分析过不适合进行中、高压试验；而对于机械型疏水阀中的浮球式，其最高工作压力为1.4 MPa，若压力过高，其疏水动作会迟缓，并且还存在着密封性问题。根据现场情况并结合疏水阀的使用压力范围，对倒吊桶式疏水阀进行了2.0～4.0 MPa 的疏水试验，对圆盘式疏水阀进行了5.0 和1.0 MPa 的试验，并在1.0 MPa 时进行了背压影响和疏水量测量试验。试验结果表明，倒吊桶式疏水阀的疏水阻汽功能正常，如图6所示。

图6 倒吊桶式疏水阀阻汽疏水试验Fig.6 Photos of floating row bucket trap experiment

对于圆盘式疏水阀，其工作压力在试验疏水阀中范围最大，因此，首先进行高压性能试验，选取锅炉压力6.0 MPa，并调整供气阀门，将储气筒及储水罐的压力控制在5.0～5.5 MPa。在5.0 MPa时，圆盘式疏水阀的疏水阻汽功能良好，如图7 所示。在工作过程中，由于圆盘疏水阀的内部盘面上下移动，会与周围金属发生碰撞，因此在动作时会发出金属撞击的声音，这也使得圆盘式疏水阀的使用寿命低于同材质的机械式疏水阀。

图7 圆盘式疏水阀高压疏水阻汽试验Fig.7 Photos of disc trap experiment

2.3 各种疏水阀的适用范围

疏水阀根据其动作原理、适用压力范围及疏水量等参数的不同，被应用于不同系统或设备的疏水。根据试验结果，对试验中疏水阀的应用范围总结如下：

1）浮球式疏水阀。试验用浮球式疏水阀的工作压力范围为0～1.4 MPa，具有疏水量大、反应快、无蒸汽泄露、无疏水过冷度要求以及背压率高等特点，相比于自由浮球式疏水阀，杠杆浮球式疏水阀还具备抗倾斜、抗污染的性能。浮球式疏水阀可应用于蒸汽换热器、蒸汽主管路等系统的疏水，是应用最广泛的疏水阀。

2）倒吊桶式疏水阀。该疏水阀与浮球式疏水阀同属机械式疏水阀。试验用倒吊桶式疏水阀的工作压力范围为0～4.0 MPa，通过调整排放孔径和外形尺寸，其还可以在更高的压力下使用，具有疏水量大、背压率高、无蒸汽泄露、抗水击能力强等特点。倒吊桶式疏水阀可应用于压力波动较大的管路疏水，也可以用于汽轮机、过热蒸汽管路等系统的疏水。

3）双金属式、温包式热静力型疏水阀。热静力型疏水阀的特点是疏水温度恒定，在适当的凝水温度下，疏水量大，相比于其他类型（机械型和热动力型）的疏水阀，具有较高的过冷度要求（本试验中为22 ℃）。并且对于双金属式疏水阀，需事先根据现场情况对金属片进行调整，且在使用一段时间后，由于金属的疲劳性，也需要进行调整。该疏水阀的背压率低于机械型或热动力型疏水阀。温包式热静力型疏水阀的特点与双金属式相当，具有不怕冻、体积小、任意位置都可安装的特点，能排不凝结气体，同样也有过冷度要求，一般在15～40 ℃。热静力型疏水阀适用于伴热管、温度恒定加热器中的疏水，不适用于工作压力和背压会发生变化的管路或设备的疏水。

4）圆盘式疏水阀。圆盘式疏水阀属于热动力型疏水阀，其特点是工作压力范围广、结构紧凑、简单、重量轻、背压率高（60%～80%），就其尺寸而言，排量也大。由于碟片是其中唯一的运动部件，故维护起来很方便，无需从管道上拆下疏水阀。圆盘式疏水阀在使用中有金属撞击的声音，此外，在背压较高时，还会有少量蒸汽泄露。基于上述特点，圆盘式疏水阀可用于过热蒸汽管道和汽轮机的疏水。

3 基于实船的疏水系统设计

3.1 实船吹除、疏水系统需求

实船的疏水系统与各个蒸汽子系统密不可分，按照蒸汽凝水来源和压力的不同，可以归为以下5 类：

1）主、辅过热蒸汽疏水。主、辅过热蒸汽管路的蒸汽工作压力范围为0～5.5 MPa。主、辅过热吹除、疏水管路用于主、辅过热蒸汽管路在开启、运行和停机时的疏水，以及阀组等管路附件的疏水及前、后桥管调汽时管路的疏水。辅过热疏水包括涡轮增压机组吹洗和主锅炉停汽阀等阀门的疏水。一般当蒸汽压力达到0.4～0.8 MPa 时，开始暖管、暖机疏水。凝水流至污冷凝水柜或除氧器。

2）微过热蒸汽疏水。微过热蒸汽管路的工作压力范围为0～2.45 MPa。微过热吹除、疏水系统用于微过热蒸汽输送管路的吹洗和疏水，以及汽轮滑油泵、汽轮燃油泵、减温减压装置和微过热调配装置等装置的疏水。凝水流至污冷凝水柜或除氧器。

3）低压蒸汽管道疏水。低压蒸汽管路的工作范围为0～1.0 MPa。低压蒸汽吹除、疏水系统用于低压蒸汽输送管路、汽轮滑油泵、燃油泵和汽轮给水机组汽缸的疏水。凝水流至舱底或污冷凝水柜。

4）油舱等加热器管路疏水。油舱加热和滑油加热的工作蒸汽为低压蒸汽，工作压力范围为0～1.0 MPa，但是在加热器开始工作后，要求进行连续疏水，因此，此系统的疏水必须采用疏水阀，故与低压吹除系统有所区分。该疏水系统用于各个滑油舱、燃油舱、燃油预热器及滑油预热器等换热设备的凝水回收。凝水流至蒸汽膨胀箱或污冷凝水柜。

5）废汽管路疏水。废汽管路的工作蒸汽压力范围为0～0.1 MPa。

根据以上实船疏水系统的工作需求，以及实船使用情况可以看出，应用于实船的疏水阀与一般工业用疏水阀有所不同，主要体现在以下几个方面：

1）实船用疏水阀要有一定的抗背压性能。无论是过热蒸汽、微过热蒸汽还是低压蒸汽，其疏水系统均应采用总管设计原则，即各个疏水点的凝水管路连接至一根总管上，并最终排入除氧器、污冷凝水柜或舱底。不同的疏水管其位置、高度、长度和弯头数量均不同，这就使得各个疏水阀排水管路的阻力不同，且在排至除氧器、污冷凝水柜或舱底时，排水背压也均不同，对排放至蒸汽膨胀箱的低压蒸汽疏水管路，背压同样在一定的范围内波动。因此，对于应用于实船系统的疏水阀，疏水时需克服管路阻力和容器背压，才能达到各个工况均能正常疏水的目的。

2）实船用疏水阀要具备一定的抗倾斜、抗摇摆和抗污染能力。

3）实船用疏水阀应动作灵敏且不应有过冷度要求。实船空间有限，而疏水管路一般是在主管路铺设、布置完成后再与管路的最低点（疏水点）连接放样，且具有过冷度要求的疏水阀又一般均需布置1～3 m 长的疏水管路［10］。另一方面，蒸汽动力系统管路均有热绝缘包覆要求，而为了使饱和水被正常疏出，在有过冷度需求的疏水阀前端管路一般不包覆绝缘，这一点与实船热绝缘施工要求是矛盾的。无论是管路吹除还是换热器长时间疏水，均不允许出现凝水长时间聚集不流动或流动延迟的现象，因此，应用于实船中的疏水阀应尽量做到“有水即疏、无水即关”，这一点在换热器中尤为重要，若在饱和换热器中不能做到及时疏水，则会使换热效率下降，增大换热时间，甚至无法达到预定的加热温度。

3.2 与系统需求匹配的疏水阀型式选择

根据对实船疏水系统的分析，以及对各类疏水阀使用特点的归纳，可以总结出匹配于实船各个疏水系统的疏水阀类型。

1）对于主、辅过热蒸汽管路和主汽轮机等的疏水，可选用圆盘式热动力型疏水阀。其原因是圆盘式疏水阀动作灵敏、工作压力范围大（0～10 MPa）、抗背压性能强，在以往的船舶中应用效果良好。

2）对于微过热蒸汽管路的吹除，可选用倒吊桶式和圆盘式疏水阀。两种疏水阀的压力范围涵盖系统设计压力，且倒吊桶式、圆盘式疏水阀的疏水量和背压率高，在疏水量要求较大、空间富裕的疏水点，推荐使用倒吊桶式疏水阀。

3）对于低压吹除和废汽管路吹除，可选用浮球式和圆盘式疏水阀；对于低压蒸汽换热器，可选用自由浮球式和杠杆浮球式疏水阀，但推荐选用杠杆浮球式疏水阀，因和自由浮球式疏水阀相比，其动作灵敏性和抗污染性能更优，且连续疏水能力强，无过冷度要求，具有较高的抗倾斜能力。

4）由于实船的疏水系统在不同工况下其背压不同，且管路有热绝缘包覆的要求，因此热静力型疏水阀不适用于实船疏水系统。

4 结 论

本文依照相关标准，对3 类典型疏水阀的疏水工作性能进行了试验，进一步总结了实船疏水系统的运行特点和疏水阀的基本要求，并结合试验数据对实船疏水阀进行了选型归类，得到以下主要结论：

1）热静力型疏水阀不适用于蒸汽动力船舶，尤其不适用于具有供汽和疏水总管的动力系统。

2）杠杆浮球式疏水阀的抗倾斜能力要优于自由浮球式疏水阀。

3）圆盘式疏水阀可以用于过热蒸汽管路的疏水；倒吊桶式、圆盘式疏水阀均可用于本文分析的动力系统，不过在空间富裕、疏水量较大的管路中，推荐使用倒吊桶式疏水阀。

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